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单片机结构体内存的分配

什么是字节对齐

     一个变量占用 n 个字节，则该变量的起始地址必须能够被 n 整除，即: 存放起始地址 % n = 0， 对于结构体而言，这个 n 取其成员种的数据类型占空间的值最大的那个。

为什么要字节对齐

    内存空间是按照字节来划分的，从理论上说对内存空间的访问可以从任何地址开始，但是在实际上不同架构的CPU为了提高访问内存的速度，就规定了对于某些类型的数据只能从特定的起始位置开始访问。这样就决定了各种数据类型只能按照相应的规则在内存空间中存放，而不能一个接一个的顺序排列。

    举个例子，比如有些平台访问内存地址都从偶数地址开始，对于一个int型(假设32位系统)，如果从偶数地址开始的地方存放，这样一个读周期就可以读出这个int数据，但是如果从奇数地址开始的地址存放，就需要两个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到这个int数据，这样明显降低了读取的效率。

如何进行字节对齐

    每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(不指定则取默认值)中较小的一个对齐，并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节。

    这个规则有点苦涩，可以把这个规则分解一下，前半句的意思先获得对齐值后与指定对齐值进行比较,其中对齐值获得方式如下：

1. 数据类型的自身对齐值为：对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int, long, float类型，其自身对齐值为4，对于 double 类型其自身对齐值为8，单位为字节。

2.结构体自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

其中指定对齐值获得方式如下：

#pragma pack (value)时的指定对齐值value。

未指定则取默认值。

    后半句的意思是主要是针对于结构体的长度而言，因为针对数据类型的成员，它仅有一个对齐参数，其本身的长度、于这个对齐参数，即1倍。对于结构体而言，它可能使用了多种数据类型，那么这句话翻译成对齐规则： 每个成员的起始地址 % 自身对齐值 = 0，如果不等于 0 则先补空字节直至这个表达式成立。

    换句话说，对于结构体而言，结构体在在内存的存放顺序用如下规则即可映射出来：

  (一)每个成员的起始地址 % 每个成员的自身对齐值 = 0，如果不等于 0 则先补空字节直至这个表达式成立；

  (二)结构体的长度必须为结构体的自身对齐值的整数倍,不够就补空字节。

#pragma pack(8) 

struct A{ 

    char a; 

    long b; 

};

struct B{ 

    char a; 

    struct A b; 

    long c; 

};

struct C{ 

    char a; 

    struct A b; 

    double c; 

};

struct D{ 

    char a; 

    struct A b; 

    double c; 

    int d; 

};

struct E{ 

    char a; 

    int b; 

    struct A c; 

    double d;     

};

    对于 struct A 来说，对于char型数据，其自身对齐值为1，对于long类型，其自身对齐值为4, 结构体的自身对齐值取其成员最大的对齐值，即大小4。那么struct A 在内存中的顺序步骤为：

(1) char a, 地址范围为0x0000~0x0000,起始地址为0x0000,满足 0x0000 % 1 = 0，这个成员字节对齐了。

(2) long b, 地址起始位置不能从0x00001开始，因为 0x0001 % 4 != 0,  所以先补空字节，直到0x00003结束，即补3个字节的空字节，从0x00004开始存放b,其地址范围为0x00004~0x0007.

(3)此时成员都存放结束，结构体长度为8，为结构体自身对齐值的2倍，符合条件(二).

    此时满足条件(一)和条件(二)，struct A 中各成员在内存中的位置为：a*** b ,sizeof(struct A) = 8。(每个星号代表一位，成员各自代表自己所占的位，比如a占一位，b占四位)

    对于struct B，里面有个类型为struct A的成员b自身对齐值为4，对于long类型，其自身对齐值为4. 故struct B的自身对齐值为4。那么struct B 在内存中的顺序步骤为：

(1) char a, 地址范围为0x0000~0x0000,起始地址为0x0000,满足 0x0000 % 1 = 0，这个成员字节对齐了。

(2) struct A b, 地址起始位置不能从0x00001开始，因为 0x0001 % 4 != 0,  所以先补空字节，直到0x00003结束，即补3个字节的空字节，从0x00004开始存放b,其地址范围为0x00004~0x00011.

(3) long c，地址起始位置从0x000012开始， 因为 0x0012 % 4 = 0，其地址范围为0x00012~0x0015. 

(4)此时成员都存放结束，结构体长度为16，为结构体自身对齐值的4倍，符合条件(二).

    此时满足条件(一)和条件(二)，struct B 中各成员在内存中的位置为：a*** b c ,sizeof(struct C) = 24。(每个星号代表一位，成员各自代表自己所占的位，比如a占一位，b占八位，c占四位)

    对于struct C，里面有个类型为struct A的成员b自身对齐值为4，对于double 类型，其自身对齐值为8. 故struct C的自身对齐值为8。那么struct C 在内存中的顺序步骤为：

(1) char a, 地址范围为0x0000~0x0000,起始地址为0x0000,满足 0x0000 % 1 = 0，这个成员字节对齐了。

(2) struct A b, 地址起始位置不能从0x00001开始，因为 0x0001 % 4 != 0,  所以先补空字节，直到0x00003结束，即补3个字节的空字节，从0x00004开始存放b,其地址范围为0x00004~0x00011.

(3) double c，地址起始位置不能从0x000012开始， 因为 0x0012 % 8 != 0，所以先补空字节，直到0x000015结束，即补4个字节的空字节，从0x00016开始存放c,其地址范围为0x00016~0x0023. 

(4)此时成员都存放结束，结构体长度为24，为结构体自身对齐值的3倍，符合条件(二).

    此时满足条件(一)和条件(二)，struct C 中各成员在内存中的位置为：a*** b **** c ,sizeof(struct C) = 24。(每个星号代表一位，成员各自代表自己所占的位，比如a占一位，b占八位，c占八位)

    对于struct D，自身对齐值为8。前面三个成员与 struct C 是一致的。对于第四成员d，因为 0x0024 % 4 = 0, 所以可以从0x0024开始存放d, 其地址范围为0x00024~0x00027.此时成员都存放结束，结构体长度为28，28 不是结构体自身对齐值8的倍数，所以要在后面补四个空格，即在0x0028~0x0031上补四个空格。补完了，结构体长度为32, 为结构体自

身对齐值的4被，，符合条件(二).

    此时满足条件(一)和条件(二)，struct D 中各成员在内存中的位置为：a*** b **** c d **** ,sizeof(struct D) = 32。(每个星号代表一位，成员各自代表自己所占的位，比如a占一位，b占八位，c占八位, d占四位)。

    对于struct E 中各成员在内存中的位置为：a*** b c d, sizeof(struct E) = 24。(每个星号代表一位，成员各自代表自己所占的位，比如a占一位，b占四位，c占八位, d占八位)。

    通过struct D 和 struct E 可以看出，在成员数量和类型一致的情况，后者的所占空间少于前者，因为后者的填充空字节要少。如果我们在编程时考虑节约空间的话，应该遵循将变量按照类型大小从小到大声明的原则, 这样尽量减少填补空间。另外，可以在填充空字节的地方来插入reserved成员, 例如

struct A

{

   char a;

   char reserved[3];

   int b;

}；

这样做的目的主要是为了对程序员起一个提示作用，如果不加则编译器会自动补齐。

 

 

习题

typedef struct

{

    int a;               //ARM(int=4)  51(int=2)

    char b;           // 1

    short c;         // 2

}AAA;

typedef struct

{

    char b;

    int a;

    short c;

}BBB;

 

i = sizeof(AAA);

j = sizeof(BBB);

//注意在51单片机，ARM，PC不同  

 

51 (i=j=5)            //好像强制单字节对齐

ARM(i=8,j=12)  //按规则默认对齐

PC(i=8,j=12)

 

AAA对齐方式如下(ARM)

I I I I

I0 I I

 

BBB对齐方式如下(ARM)

I 0 0 0

I I  I  I

I I  0 0

 

通过#pragma pack可以调整对齐字节数 

 

#pragma pack(1) //指定Align为 1字节；

。。。。。。。。。。。。//需要对齐的结构体

    

#pragma pack() //恢复到原先值